[发明专利]用于承载催化剂的具有工程化表面粗糙度的气体扩散层

说明书

本文公开了用于电化学装置的气体扩散层(GDL)，其具有用于承载催化剂或接触催化剂层的增加的表面积。具有工程化表面粗糙度的GDL提高气相反应物在电化学装置(例如，PEMFC)中的有效扩散率。本文还公开了包含具有增加的表面积的GDL的气体扩散电极、膜电极组件和燃料电池。本文还公开了制造具有增加的表面积的GDL以及包含具有增加的表面积的GDL的气体扩散电极和膜电极组件的方法。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2020年4月3日提交的美国临时申请号63/005,050的优先权，其全部内容特此通过引用并入本文。

背景技术

对于使用气体作为反应物或产物的电化学装置，气相反应物的扩散性影响催化剂的利用率和整体装置性能，尤其是在高电流密度区域。例如，图1显示了在不同的有效氧气扩散率(以m²/s为单位)下比较聚合物电解质膜燃料电池(“PEM燃料电池”或“PEMFC”)的催化剂利用率和J-V曲线的多物理场(multiphysics)模拟结果。如图1所示，由于催化剂利用率提高，有效扩散率的提高增加了相同电流密度下的电池电压。

因此，存在对被配置以提高气相反应物的有效扩散率，提高催化剂利用率，从而增强整体装置性能的气体扩散层(“GDL”)、气体扩散电极(“GDE”)、膜电极组件(“MEA”)以及包含其的电化学装置(例如，燃料电池)的需要。本文公开了用于电化学装置的GDL，其具有用于承载(hosting)催化剂或接触催化剂层的增加的表面积。具有工程化表面粗糙度的GDL能够提高气相反应物在电化学装置(例如，PEMFC)中的有效扩散率。本文还公开了包含具有增加的表面积的GDL的气体扩散电极、MEA和燃料电池。本文还公开了制造具有增加的表面积的GDL以及包括具有增加的表面积的GDL的气体扩散电极和MEA的方法。

发明内容

一方面，本公开涉及用于电化学装置的气体扩散层，其包括：(a)与催化剂层接触的第一侧；和(b)第二侧，其中与催化剂层接触的第一侧具有增加的表面积。

在一些实施方式中，气体扩散层的与催化剂层接触的第一侧包括平均深度在约10nm和约1000μm之间的表面特征。在一些实施方式中，气体扩散层的与催化剂层接触的第一侧包括表面特征，其中所述表面特征具有在约10nm和约1000μm之间的至少一个横向尺寸。

在一些实施方式中，气体扩散层的与催化剂层接触的第一侧包括规则成形的表面特征。在一些实施方式中，气体扩散层的与催化剂层接触的第一侧包括不规则成形的表面特征。

在一些实施方式中，气体扩散层的与催化剂层接触的第一侧包括随机排列的表面特征。在一些实施方式中，气体扩散层的与催化剂层接触的第一侧包括周期性排列的表面特征。

在一些实施方式中，气体扩散层进一步包括微孔层，其中气体扩散层的与催化剂层接触的第一侧被布置在微孔层上。

另一方面，本发明涉及气体扩散电极，其包括：(a)气体扩散层；和(b)催化剂层，其在气体扩散层和催化剂层之间的界面处与气体扩散层接触，其中气体扩散层和催化剂层之间的界面具有增加的表面积。

在一些实施方式中，气体扩散层和催化剂层之间的界面包括平均深度在约10nm和约1000μm之间的表面特征。在一些实施方式中，气体扩散层和催化剂层之间的界面包括具有约10nm和约1000μm之间的至少一个横向尺寸的表面特征。

在一些实施方式中，气体扩散层和催化剂层之间的界面包括规则成形的表面特征。在一些实施方式中，气体扩散层和催化剂层之间的界面包括不规则成形的表面特征。

在一些实施方式中，气体扩散层和催化剂层之间的界面包括随机排列的表面特征。在一些实施方式中，气体扩散层和催化剂层之间的界面包括周期性排列的表面特征。

在一些实施方式中，气体扩散层进一步包括微孔层，其中气体扩散层的与催化剂层接触的一侧被布置在微孔层上。